Cérebros de insetos derretem e se reconectam durante a metamorfose | Revista Quanta

Nas noites quentes de verão, crisopídeos verdes esvoaçam ao redor de lanternas brilhantes nos quintais e nos acampamentos. Os insetos, com suas asas em forma de véu, são facilmente distraídos de sua preocupação natural em beber o néctar das flores, evitar morcegos predadores e se reproduzir. Pequenas ninhadas de ovos que eles colocam pendem de longos caules na parte inferior das folhas e balançam como luzes de fada ao vento.

Os conjuntos de ovos pendurados são lindos, mas também práticos: eles impedem que as larvas incubadas comam imediatamente seus irmãos não eclodidos. Com mandíbulas semelhantes a foices que perfuram suas presas e as sugam até secar, as larvas crisopídeos são “viciosas”, disse James Truman, professor emérito de desenvolvimento, biologia celular e molecular da Universidade de Washington. “É como 'A Bela e a Fera' em um animal.”

Essa dicotomia de Jekyll e Hyde é possibilitada pela metamorfose, o fenômeno mais conhecido por transformar lagartas em borboletas. Em sua versão mais extrema, a metamorfose completa, as formas juvenil e adulta parecem e agem como espécies totalmente diferentes. A metamorfose não é uma exceção no reino animal; é quase uma regra. Mais de 80% das espécies animais conhecidas hoje, principalmente insetos, anfíbios e invertebrados marinhos, sofrem alguma forma de metamorfose ou têm ciclos de vida complexos e de vários estágios.

O processo de metamorfose apresenta muitos mistérios, mas alguns dos mais intrigantes se concentram no sistema nervoso. No centro desse fenômeno está o cérebro, que deve codificar não uma, mas várias identidades diferentes. Afinal, a vida de um inseto voador em busca de parceiros é muito diferente da vida de uma lagarta faminta. Durante o último meio século, os pesquisadores investigaram a questão de como uma rede de neurônios que codifica uma identidade – a de uma lagarta faminta ou uma larva crisopídeo assassina – muda para codificar uma identidade adulta que abrange um conjunto completamente diferente de comportamentos e necessidades. .

Truman e sua equipe agora aprenderam o quanto a metamorfose remodela partes do cérebro. Em Num estudo recente publicado na revista eLife, eles rastrearam dezenas de neurônios nos cérebros de moscas-das-frutas passando por metamorfose. Eles descobriram que, ao contrário do atormentado protagonista do conto de Franz Kafka “A Metamorfose”, que acorda um dia como um inseto monstruoso, os insetos adultos provavelmente não conseguem se lembrar muito de sua vida larval. Embora muitos dos neurônios larvais no estudo tenham perdurado, a parte do cérebro do inseto que o grupo de Truman examinou foi dramaticamente religada. Essa revisão das conexões neurais refletiu uma mudança igualmente dramática no comportamento dos insetos quando eles mudaram de larvas rastejantes e famintas para adultos voadores em busca de parceiros.

Suas descobertas são “o exemplo mais detalhado até o momento” do que acontece com o cérebro de um inseto em metamorfose, disse Deniz Erezyilmaz, um cientista pesquisador de pós-doutorado no Centro de Circuitos Neurais e Comportamento da Universidade de Oxford que costumava trabalhar no laboratório de Truman, mas não estava envolvido neste trabalho. Os resultados podem se aplicar a muitas outras espécies na Terra, acrescentou ela.

Além de detalhar como um cérebro larval amadurece para um cérebro adulto, o novo estudo fornece pistas de como a evolução fez com que o desenvolvimento desses insetos tomasse um desvio tão selvagem. “É uma peça monumental”, disse Bertram Gerber, um neurocientista comportamental do Instituto Leibniz de Neurobiologia que não esteve envolvido no estudo, mas foi co-autor de um comentário relacionado para eLife. “É realmente o clímax de 40 anos de pesquisa no campo.”

“Eu chamo isso de 'The Paper' em maiúsculas”, disse Darren Williams, um pesquisador em neurobiologia do desenvolvimento no King's College London que não esteve envolvido no estudo, mas é um colaborador de longa data de Truman. “Vai ser fundamentalmente importante… para muitas perguntas.”

Um desvio no caminho para a idade adulta

Os primeiros insetos, 480 milhões de anos atrás, emergiram de ovos parecendo muito com versões menores de seus eus adultos, ou então continuaram seu “desenvolvimento direto” para se aproximar cada vez mais de sua forma adulta, assim como gafanhotos, grilos e alguns outros insetos fazem hoje. A metamorfose completa parece ter surgido nos insetos apenas cerca de 350 milhões de anos atrás, antes dos dinossauros.

A maioria dos pesquisadores agora acredita que a metamorfose evoluiu para diminuir a competição por recursos entre os adultos e seus descendentes: desviar as larvas para uma forma muito diferente permitiu que elas comessem alimentos muito diferentes dos adultos. “Foi uma ótima estratégia”, disse Truman. Insetos que começaram a sofrer metamorfose completa, como besouros, moscas, borboletas, abelhas, vespas e formigas, explodiram em número.

Quando Truman era criança, ele passava horas observando os insetos passarem pelo processo. Com os crisopídeos em particular, “fiquei intrigado com a ferocidade da larva versus a natureza delicada do adulto”, disse ele.

Sua paixão de infância acabou se transformando em uma carreira e uma família. Depois que ele se casou com seu orientador de doutorado, Lynn Ridford, que também é professora emérita da Universidade de Washington, eles viajaram pelo mundo coletando insetos que se metamorfoseiam e outros que não se metamorfoseiam, para comparar suas trajetórias de desenvolvimento.

Enquanto Riddiford concentrou seu trabalho no efeito dos hormônios na metamorfose, Truman estava mais interessado no cérebro. Em 1974, publicou o primeiro papel sobre o que acontece com o cérebro durante a metamorfose, para a qual ele rastreou o número de neurônios motores em larvas e adultos de hornworm. Desde então, numerosos estudos detalharam diferentes neurônios e partes do cérebro de larvas e adultos, mas são anedóticos ou focados em aspectos muito pequenos do processo. “Não tínhamos uma visão geral”, disse Truman.

Truman sabia que, para realmente entender o que está acontecendo com o cérebro, ele precisava ser capaz de rastrear células e circuitos individuais durante o processo. O sistema nervoso de uma mosca da fruta ofereceu uma oportunidade prática para fazer isso: embora a maioria das células do corpo da larva da mosca da fruta morra quando ela se transforma em um adulto, muitos dos neurônios em seu cérebro não morrem.

“O sistema nervoso nunca foi capaz de mudar a forma como produz neurônios”, disse Truman. Isso ocorre em parte porque o sistema nervoso em todos os insetos surge de uma série de células-tronco chamadas neuroblastos que amadurecem em neurônios. Esse processo é mais antigo que a própria metamorfose e não é facilmente modificado após um certo estágio de desenvolvimento. Assim, mesmo que quase todas as outras células do corpo larval da mosca-das-frutas sejam eliminadas, a maioria dos neurônios originais é reciclada para funcionar novamente no adulto.

A mente remodelada

Muitas pessoas imaginam que durante a metamorfose, conforme as células larvais começam a morrer ou se reorganizar, o corpo do inseto dentro de seu casulo ou invólucro exoesquelético se transforma em algo como uma sopa, com todas as células remanescentes deslizando fluidamente juntas. Mas isso não está certo, explicou Truman. “Tudo tem uma posição… mas é muito delicado, e se você abrir o animal, tudo estoura”, disse ele.

Para mapear as mudanças cerebrais nessa massa gelatinosa, Truman e seus colegas examinaram larvas de moscas-das-frutas geneticamente modificadas que tinham neurônios específicos que brilhavam em verde fluorescente sob o microscópio. Eles descobriram que essa fluorescência frequentemente desaparecia durante a metamorfose, então eles usaram uma técnica genética eles desenvolveram em 2015 para ativar uma fluorescência vermelha nos mesmos neurônios, dando aos insetos uma droga específica.

É um “método muito legal”, disse Andreas Thum, neurocientista da Universidade de Leipzig e coautor do comentário com Gerber. Ele permite que você olhe não apenas um, dois ou três neurônios, mas toda uma rede de células.

Os pesquisadores se concentraram no corpo do cogumelo, uma região do cérebro crítica para o aprendizado e a memória em larvas e adultos de moscas-das-frutas. A região consiste em um grupo de neurônios com longas caudas axonais que ficam em linhas paralelas como as cordas de um violão. Esses neurônios se comunicam com o resto do cérebro por meio de neurônios de entrada e saída que entram e saem das cordas, criando uma rede de conexões que permitem ao inseto associar odores a experiências boas ou ruins. Essas redes são arranjadas em compartimentos computacionais distintos, como os espaços entre os trastes do violão. Cada compartimento tem uma tarefa, como guiar uma mosca na direção ou para longe de algo.

Truman e sua equipe descobriram que, quando as larvas sofrem metamorfose, apenas sete de seus 10 compartimentos neurais são incorporados ao corpo do cogumelo adulto. Dentro desses sete, alguns neurônios morrem e outros são remodelados para realizar novas funções adultas. Todas as conexões entre os neurônios no corpo do cogumelo e seus neurônios de entrada e saída são dissolvidas. Nesse estágio de transformação, “é uma espécie de situação budista definitiva em que você não tem entradas, não tem saídas”, disse Gerber. “Sou só eu, eu e eu.”

Os neurônios de entrada e saída nos três compartimentos larvais que não são incorporados ao corpo do cogumelo adulto abandonam completamente suas antigas identidades. Eles deixam o corpo do cogumelo e se integram a novos circuitos cerebrais em outras partes do cérebro adulto. “Você não saberia que eles eram os mesmos neurônios, exceto que fomos capazes de segui-los geneticamente e anatomicamente”, disse Truman.

Os pesquisadores sugerem que esses neurônios de realocação são apenas hóspedes temporários no corpo do cogumelo larval, assumindo as funções larvais necessárias por um tempo, mas depois retornando às suas tarefas ancestrais no cérebro adulto. Isso está de acordo com a ideia de que o cérebro adulto é a forma ancestral mais antiga dentro da linhagem e o cérebro larval mais simples é uma forma derivada que veio muito depois.

Além dos neurônios larvais remodelados, muitos novos neurônios nascem à medida que a larva cresce. Esses neurônios não são usados ​​pela larva, mas na metamorfose eles amadurecem para se tornar neurônios de entrada e saída para nove novos compartimentos computacionais que são específicos do adulto.

O corpo do cogumelo na larva é muito semelhante à versão adulta, disse Thum, mas “a religação é realmente intensa”. É como se todas as entradas e saídas de uma máquina computacional fossem interrompidas, mas de alguma forma mantivessem sua funcionalidade sem fio, disse Gerber. “É quase como se você deliberadamente desconectasse e reconectasse” a máquina.

Como resultado, o corpo em forma de cogumelo do cérebro adulto é “fundamentalmente… uma estrutura completamente nova”, disse K. Vijay Raghavan, um professor emérito e ex-diretor do Centro Nacional de Ciências Biológicas da Índia, que foi o principal editor do jornal e não esteve envolvido no estudo. Não há indicação anatômica de que as memórias possam ter sobrevivido, acrescentou.

A fragilidade da memória

Os pesquisadores ficaram entusiasmados com a questão de saber se as memórias de uma larva podem ser transferidas para o inseto adulto, disse Williams, mas a resposta não foi clara.

Os tipos de memórias que vivem no corpo de cogumelo de uma mosca da fruta são memórias associativas, do tipo que liga duas coisas diferentes – o tipo de memória que deixou os cachorros de Pavlov salivando ao som de um sino, por exemplo. Para a mosca-das-frutas, as memórias associativas geralmente envolvem cheiros e guiam a mosca na direção ou para longe de algo.

No entanto, sua conclusão de que as memórias associativas não podem sobreviver pode não ser verdadeira para todas as espécies. As larvas de borboletas e besouros, por exemplo, eclodem com sistemas nervosos mais complexos e mais neurônios do que as larvas de moscas-das-frutas. Como seus sistemas nervosos começam mais complicados, eles podem não precisar ser tão remodelados.

Estudos anteriores encontraram evidências de que outros tipos de memórias podem persistir em algumas espécies. Por exemplo, explicou Gerber, observações e experimentos sugerem que muitas espécies de insetos mostram uma preferência por se reproduzir nos mesmos tipos de plantas onde amadureceram: as larvas nascidas e criadas em macieiras tendem a botar ovos nas macieiras quando adultas. “Assim, alguém se pergunta como esses dois tipos de observações se relacionam”, disse ele. Como essas preferências são transmitidas se as memórias não? Uma possibilidade é que as memórias associativas não sejam transferidas, mas outros tipos de memórias alojadas em outras partes do cérebro sim, disse ele.

Os dados oferecem oportunidades para comparar o desenvolvimento de sistemas nervosos em animais que se metamorfoseiam e aqueles que não. O sistema nervoso dos insetos foi conservado o suficiente durante a evolução para que os pesquisadores possam identificar neurônios equivalentes em espécies de desenvolvimento direto, como grilos e gafanhotos. As comparações entre eles podem responder a perguntas como como as células individuais mudaram de identidades únicas para múltiplas. É “uma ferramenta comparativa incrivelmente poderosa”, disse Williams.

Thum acha que seria interessante ver se as espécies de insetos que vivem em ambientes diferentes podem variar na maneira como seus cérebros são reorganizados e se as memórias podem sobreviver em qualquer um deles. Gerber está curioso para saber se os mecanismos celulares na metamorfose dos insetos são os mesmos em outros animais que sofrem variações do processo, como girinos que se transformam em sapos ou criaturas imóveis semelhantes a hidras que se transformam em águas-vivas. “Você pode até ser louco o suficiente para se perguntar se deveríamos olhar para a puberdade como uma espécie de metamorfose”, disse ele.

Truman e sua equipe agora esperam mergulhar no nível molecular para ver quais genes afetam a maturação e a evolução do sistema nervoso. Em 1971, os pesquisadores levantaram a hipótese em um artigo teórico de que um trio de genes dirige o processo de metamorfose dos insetos, uma ideia que Riddiford e Truman confirmaram posteriormente em um estudo. papel 2022. Mas os mecanismos por trás de como esses genes funcionam para remodelar o corpo e o cérebro permanecem obscuros.

O objetivo final de Truman é persuadir um neurônio a assumir sua forma adulta no cérebro larval. Hackear o processo com sucesso pode significar que realmente entendemos como esses insetos criam identidades múltiplas ao longo do tempo.

Não se sabe como seriam os padrões de reorganização em outras partes do cérebro. Mas é provável que alguns aspectos das capacidades mentais e respostas da mosca da fruta ao mundo, consciente ou não, sejam moldados por sua vida larval, disse Truman. “O desafio é tentar descobrir a natureza e a extensão desses efeitos.”